本方案描述了一种非酶解且简便的方法,用于分离7至9日龄新生小鼠的骨髓细胞,并利用L929细胞的上清液作为粒细胞集落刺激因子(M-CSF)来源,诱导生成分化的巨噬细胞。进一步对骨髓来源的巨噬细胞进行了表面抗原F4/80、CD206、CD11b以及功能活性的分析。
本方案描述了一种非酶解且简便的方法,用于分离7至9日龄新生小鼠的骨髓细胞,并利用L929细胞的上清液作为粒细胞集落刺激因子(M-CSF)来源,诱导生成分化的巨噬细胞。进一步对骨髓来源的巨噬细胞进行了表面抗原F4/80、CD206、CD11b以及功能活性的分析。
从成年小鼠中分离骨髓的多种技术已较为成熟。然而,从新生小鼠中分离骨髓仍具有挑战性且耗时较长,但对于某些研究模型而言,这一过程具有转化意义且必不可少。本实验方案描述了一种高效且简便的方法,用于制备7至9日龄幼鼠的骨髓细胞。这些细胞可进一步分离或分化为特定的目标细胞类型。巨噬细胞是关键的免疫细胞,在炎症与感染过程中发挥重要作用。在发育过程中,新生期巨噬细胞对组织重塑具有显著贡献。此外,新生期巨噬细胞的表型和功能与其成年对应细胞存在差异。本方案还详细阐述了在L929条件培养基存在下,由分离所得骨髓细胞分化为新生期巨噬细胞的过程。采用流式细胞术分析鉴定分化后新生期巨噬细胞的表面标志物。为验证其功能,使用pH敏感性染料标记的大肠杆菌(Escherichia coli)检测了其吞噬效率。
骨髓包含可自我更新并能分化为多种细胞谱系的造血干细胞和间充质干细胞群体。 骨髓中的造血干细胞可分化为髓系和淋巴系细胞1。间充质干细胞可生成成骨细胞(骨)、脂肪细胞(脂肪)或软骨细胞(软骨)2。这些细胞在细胞生物学和组织工程领域具有多种应用,包括基因治疗3,4。骨髓中存在的祖细胞在谱系特异性生长因子的作用下可分化为特定细胞类型。例如,促红细胞生成素可促进红系祖细胞的增殖,粒细胞集落刺激因子(G-CSF)可刺激中性粒细胞集落的生长,而血小板生成素则可调控血小板的生成5。利用细胞表面抗原标记的流式细胞术(FACS)和磁珠激活细胞分选(MACS)是分离和纯化特定骨髓来源细胞类型的成熟方法6。
尽管新生儿研究正在不断推进,以探寻新生儿死亡的原因并解决早产期间出现的并发症,但直接的治疗手段开发仍是尚未满足的医疗需求。Smith和Davis指出, "儿科患者仍然是治疗上的孤儿"7样本量小、结局的终身影响以及在新生儿临床研究中获取知情同意的伦理问题等诸多挑战8因此,对 体内 和 体外 针对新生儿的特定研究模型以实现转化相关性。由于啮齿类动物在解剖和组织水平上与人类具有相似性,且妊娠期短、每胎产仔数量多,因此是最常被研究的哺乳动物模型系统。
在此,我们描述了一种详细、可行性高且可重复的小鼠幼崽(7–9日龄)骨髓分离方法,并阐述其向巨噬细胞分化的潜能。然而,通过使用不同的分化信号,也可获得多种其他细胞谱系。我们还展示了细胞表面标志物的存在以及 体外 骨髓来源巨噬细胞(BMDMs)预期的吞噬活性
所有实验程序均经西弗吉尼亚州机构动物护理和使用委员会批准,并遵循美国国家研究委员会《实验动物护理和使用指南》的建议进行。本研究使用了C57BL/6J小鼠幼崽。所用全部试剂和设备的详细信息列于下文 材料表.
1. 培养基制备
2. L929 细胞上清液的制备
3. 动物准备
4. 新生小鼠骨髓的分离
5. 新生小鼠骨髓来源巨噬细胞的分化
6. 免疫标记与流式细胞术分析
7. 体外 评估新生小鼠骨髓来源巨噬细胞吞噬效率的实验方法
采用本研究所述方法,可从五只C57BL/6小鼠仔鼠组成的同窝仔鼠中成功分离出2500万至3700万个骨髓细胞。该方法已在5至7只仔鼠的同窝规模中得到验证。本实验中分离的最小小鼠年龄为7日龄。根据同窝仔鼠数量及实验所需细胞数(若少于一百万个),研究人员可尝试将本方案用于小于7日龄的小鼠。在以L929细胞上清作为M-CSF来源的条件下,骨髓细胞在5天内分化为巨噬细胞(图2)。分化第二天可观察到纺锤形细胞的形成(图2B),第三天约一半细胞呈现纺锤形(图2C),第五天大多数细胞已贴壁并形成细长的纺锤形状(图2D)。采用该方法,从5只7日龄仔鼠获得的骨髓来源巨噬细胞(BMDMs)产量为250万至500万个细胞。
为了在表型上表征分化后的BMDM,对培养5天的细胞进行了CD11b、CD206和F4/80的免疫标记。前向/侧向散射及单标记设门方案见补充图1。流式细胞分析结果显示,76.4%的BMDM同时表达CD11b和F4/80(图3A)。F480-CD11b+细胞群的比例与CD206阳性细胞的大致数量一致(图3B)。后者通常被视为与M2样巨噬细胞表型相符的标志物;尽管CD206标记的丰度差异可达两倍之多,但F4/80标记阳性细胞占比较高,这与M-CSF促进细胞向M1样表型分化的特性相符16,17(图3)。
我们进一步评估了分化后的新生小鼠BMDM吞噬细菌并将其转运至酸化区室的能力,以此作为功能检测指标。用pH敏感性染料标记的细菌仅在被吞噬并转运至酸化区室时才会发出绿色荧光。感染后,在BMDM内检测到大量呈绿色荧光的吞噬细菌图 4A)。绿色荧光进一步与红色荧光共定位,后者指示酸化的溶酶体(图 4B,C). 在整个4小时感染过程中,也观察了新生小鼠BMDM中绿色pH敏感性染料阳性吞噬作用及其形态变化。图4D 和补充视频)。此处展示的功能活性与M1样炎症性巨噬细胞活性一致。

图1:7日龄C57BL/6J小鼠幼崽骨髓的分离。(A)置于100 mm培养皿中的7日龄幼崽后肢骨骼。(B)去除皮肤和皮下组织后的7日龄幼崽后肢;黑色虚线表示骨髓提取时的切割位置。(C)处理后尚未压碎的新生小鼠后肢骨骼及其骨髓。(D)使用注射器活塞在滤筛中压碎后的新生小鼠后肢骨骼。(E)三次独立实验获得的骨髓(BM)及骨髓来源巨噬细胞的平均数量±标准误差。(请点击此处查看该图的放大版本。

图2:由7天龄新生小鼠骨髓细胞分化为BMDM。 分化第1天(A)、第2天(B)、第3天(C)和第5天(D)的骨髓细胞。图B中的红色箭头指示分化第2天呈纺锤形贴壁的细胞。比例尺:200 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:通过流式细胞术检测小鼠巨噬细胞标志物。 分化的新生小鼠骨髓来源巨噬细胞显示表达 F4/80 和 CD11b(A)或 CD206 和 CD11b(B)表面抗原。请点击此处查看此图的放大版本。

图 4:新生小鼠骨髓来源巨噬细胞对 pH 敏感性染料标记的 E. coli 的吞噬作用。(A)感染 4 小时后,骨髓来源巨噬细胞内可见吞噬的 pH 敏感性染料标记(绿色)的 E. coli。(B)用酸化溶酶体染色剂标记的 BMDMs(红色)。(C)图(A)与(B)的合并图像。比例尺:20 µm。(D)绿色荧光细菌在相差显微镜图像巨噬细胞上的叠加图。图(D)的放大倍数与图(A)相同。请点击此处查看该图的高清版本。
补充视频。新生小鼠BMDM吞噬绿色荧光细菌的活细胞成像,持续4小时,对应图4 A面板。 请点击此处下载该视频。
补充图1:BMDM的流式细胞术分析。(A)BMDM首先根据FSC和SSC设门,以去除碎片和双联体。分别显示F4/80(B)、CD11b(C)和CD206(D)的单染结果。请点击此处下载该文件。
涉及新生小鼠模型的研究可能面临诸多挑战。新生小鼠的免疫系统正处于发育阶段,其特性与成年个体显著不同8。因此,不应假设来自动物成年模型的数据可直接适用于新生儿,已有若干研究明确阐述了这一观点18,19。因此,必须使用针对新生期的特异性模型和细胞来源,以深入研究生命早期免疫应答的复杂机制。然而,由于新生小鼠体型微小、对外界刺激敏感且身体结构脆弱,可获取的生物样本量通常有限,且采样过程可能耗时较长。本实验方案建立了一种简单且高效的方法,用于从小鼠新生个体中提取骨髓组织。
成年小鼠的骨骼足够大,可插入针头并轻松冲洗出骨髓。相反,由于新生小鼠骨骼体积小且脆弱,用针头获取其骨髓具有挑战性。一些研究采用II型胶原酶和分散酶进行酶消化处理20。在此,由于新生骨骼柔软且细小,我们采用了碾碎法来释放骨髓。经过纯化后,根据具体研究需求,这些细胞可被诱导分化为特定的细胞类型。
新生小鼠表现出独特的表型巨噬细胞群体21。本研究阐明了从出生7至9天幼鼠的骨髓细胞中分化骨髓来源巨噬细胞(BMDM)的方法,且无需使用酶处理。该方法的关键步骤包括:新生小鼠幼崽组织较为脆弱,收集小骨时需避免骨髓释放,以及准确定位胫骨和股骨上使用剪刀剪开的合适位置。我们观察到,与成年小鼠来源的BMDM相比,新生小鼠BMDM在培养过程中更为敏感,且从新生小鼠中分离骨髓的时间过长会抑制其分化能力。因此,不建议一次同时处理超过7只幼鼠。此外,在分化第2天添加BMDM分化培养基也会导致较差的结果,如分化效果不佳和细胞活力降低。
本实验方案使用L929细胞上清液作为M-CSF来源,以诱导骨髓细胞分化为巨噬细胞。L929细胞是一种小鼠成纤维细胞,已知可产生大量M-CSF10。在使用L929上清液时,巨噬细胞除暴露于M-CSF外,还可能接触到上清液中分泌的其他物质。也可使用市售的纯化M-CSF进行巨噬细胞分化;然而,我们尚未将其与L929细胞培养上清液的使用效果进行直接比较。此外需注意,L de Brito Monteiro等人的研究发现,使用L929上清液与市售M-CSF所生成的巨噬细胞具有不同的代谢特征22。
该方法建立了一种省时且经济的方法,无需使用任何消化酶。该技术可稳定分离新生小鼠骨髓,并成功实现新生小鼠骨髓来源巨噬细胞(BMDMs)的明确分化。分离获得的新生小鼠BMDMs可进一步用于研究多种感染过程中新生小鼠巨噬细胞的动态变化,以及这些细胞对炎症反应的调控作用。该方法的局限性在于初次建立时存在一定的学习曲线,尤其是在处理细小骨骼的拉取操作方面,但随着经验积累,操作时间将缩短,细胞存活率也会提高。此外,每窝幼鼠的数量也是影响可分化巨噬细胞数量的因素之一,需根据实验需求加以考虑。
作者声明本文无相关利益冲突。
本研究工作获得了美国国立卫生研究院 [R01 AI163333] 对 CMR 的资助。我们还感谢以下基金为西弗吉尼亚大学流式细胞术与单细胞核心设施提供的额外资金支持:西弗吉尼亚临床与转化科学研究所(WV CTSI)基金 GM104942、肿瘤微环境 CoBRE 基金 GM121322 以及美国国立卫生研究院基金 OD016165。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 40 µm 细胞筛 | Greiner | 542040 | 细胞培养 |
| 96 孔圆底(U 型)板 | Thermo Scientific | 12-565-65 | 细胞培养 |
| 抗小鼠 CD11b-BV786 | BD Biosciences | 740861 | FACS 分析 |
| 抗小鼠 CD206-Alexa Fluor488 | BD Biosciences | 141709 | FACS 分析 |
| 抗小鼠 F4/80-PE | BD Biosciences | 565410 | FACS 分析 |
| Countess3 | Thermo Scientific | TSI-C3ACC | 自动细胞计数仪 |
| DMEM | Hyclone | SH30022.01 | 细胞培养 |
| DMSO | VWR | WN182 | 细胞培养 |
| DPBS, 1x | Corning | 21-031-CV | 细胞培养 |
| Escherichia coli O1:K1:H7 | ATCC | 11775 | 感染 |
| EVOS FL | Invitrogen | 12-563-649 | 细胞成像系统 |
| FBS | Avantor | 76419-584 | 细胞培养 |
| FluoroBright BMDM | Thermo fisher Scientific | A1896701 | 无染料培养基 |
| 谷氨酰胺 | Cytiva | SH30034.01 | 细胞培养 |
| HEPES | Cytiva | SH30237.01 | 细胞培养 |
| L-929 | ATCC | 分化 | |
| LSRFortessa | Becton Dickinson | 流式细胞仪 | |
| 溶酶体示踪红 DND 99 | Invitrogen | L7528 | 荧光染料 |
| MEM | Corning | 15-010-CV | 细胞培养 |
| 青霉素/链霉素 | Hyclone | SV30010 | 细胞培养 |
| pHrodo 绿色 STP 酯 | Invitrogen | P35369 | 荧光染料 |
| T75 培养瓶 | Cell star | 658170 | 细胞培养 |
| 胰蛋白酶-EDTA | Gibco | 25300120 | 细胞培养 |
| Zeiss 710 | Zeiss | P20GM103434 | 共聚焦显微镜 |